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Human population induced urban developments and their effects on temperature rise: a nonlinear mathematical model
Ecological Complexity ( IF 3.1 ) Pub Date : 2021-07-22 , DOI: 10.1016/j.ecocom.2021.100947
Abhinav Tandon 1 , Prachi Rai Verma 1
Affiliation  

Excessive infrastructural developments, driven by urbanization, have not only brought destruction of forests, but also exacerbated the temperature of cities (or towns) due to formation of urban heat islands. Keeping such an urban system in mind, a nonlinear dynamical model is formulated in the proposed work in terms of system of differential equations. The model, comprising of forest resources, human population, urban infrastructural developments and temperature as system variables, is formulated on the assumption that infrastructural developments, induced through human population, escalate temperature of the region at the cost of deforestation. The derived model is mathematically analyzed for qualitative properties of its equilibrium solutions, extending from their existences to stabilities. Further, to demonstrate the impact of parametric variations on dynamical behavior, the system is also investigated for transcritical and Hopf - bifurcations. Quantitative analysis is also being executed with available numerical data to substantiate qualitative findings and to determine sensitiveness of equilibrium values of model outcomes towards system parameters. The results reveal that any of the parameters, which directly or indirectly, responsible for escalation in temperature of the region can put the system in a state of periodic oscillations, arises through Hopf - bifurcation. Therefore, it is suggested to control urban infrastructural developments through implementation of government strategies, which should include check over illegal encroachment of forested land for infrastructural developments.



中文翻译:

人口引起的城市发展及其对温度升高的影响:非线性数学模型

城市化带动的基础设施建设过度,不仅带来了森林的破坏,而且由于城市热岛的形成,加剧了城市(或城镇)的温度。牢记这样的城市系统,在建议的工作中根据微分方程系统制定了非线性动力学模型。该模型由森林资源、人口、城市基础设施发展和温度作为系统变量组成,假设基础设施发展由人口引起,以森林砍伐为代价提高该地区的温度。导出的模型对其平衡解的定性属性进行数学分析,从它们的存在扩展到稳定性。更多,为了证明参数变化对动力学行为的影响,还研究了系统的跨临界和 Hopf - 分岔。还使用可用的数值数据进行定量分析,以证实定性结果并确定模型结果的平衡值对系统参数的敏感性。结果表明,任何直接或间接导致该区域温度升高的参数都可以使系统处于周期性振荡状态,这些参数都是通过Hopf-分岔产生的。因此,建议通过实施政府战略来控制城市基础设施的发展,其中应包括检查非法侵占林地用于基础设施开发。该系统还针对跨临界和 Hopf - 分叉进行了研究。还使用可用的数值数据进行定量分析,以证实定性结果并确定模型结果的平衡值对系统参数的敏感性。结果表明,任何直接或间接导致该区域温度升高的参数都可以使系统处于周期性振荡状态,这些参数都是通过Hopf-分岔产生的。因此,建议通过实施政府战略来控制城市基础设施的发展,其中应包括检查非法侵占林地用于基础设施开发。该系统还针对跨临界和 Hopf - 分叉进行了研究。还使用可用的数值数据进行定量分析,以证实定性结果并确定模型结果的平衡值对系统参数的敏感性。结果表明,任何直接或间接导致该区域温度升高的参数都可以使系统处于周期性振荡状态,这些参数都是通过Hopf-分岔产生的。因此,建议通过实施政府战略来控制城市基础设施的发展,其中应包括检查非法侵占林地用于基础设施开发。还使用可用的数值数据进行定量分析,以证实定性结果并确定模型结果的平衡值对系统参数的敏感性。结果表明,任何直接或间接导致该区域温度升高的参数都可以使系统处于周期性振荡状态,这些参数都是通过Hopf-分岔产生的。因此,建议通过实施政府战略来控制城市基础设施的发展,其中应包括检查非法侵占林地用于基础设施开发。还使用可用的数值数据进行定量分析,以证实定性结果并确定模型结果的平衡值对系统参数的敏感性。结果表明,任何直接或间接导致该区域温度升高的参数都可以使系统处于周期性振荡状态,这些参数都是通过Hopf-分岔产生的。因此,建议通过实施政府战略来控制城市基础设施的发展,其中应包括检查非法侵占林地用于基础设施开发。通过 Hopf - 分岔产生的直接或间接导致该区域温度升高的现象可以使系统处于周期性振荡状态。因此,建议通过实施政府战略来控制城市基础设施的发展,其中应包括检查非法侵占林地用于基础设施开发。通过 Hopf - 分岔产生的直接或间接导致该区域温度升高的现象可以使系统处于周期性振荡状态。因此,建议通过实施政府战略来控制城市基础设施的发展,其中应包括检查非法侵占林地用于基础设施开发。

更新日期:2021-07-22
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